S Z T U C Z N Y M Ó Z G (poza biologiczne ograniczenia)

fantazja czy rzeczywistość ?

VII Sympozjum Fizyka w Ekonomii i Naukach Społecznych Lublin, 13 maja 2013

Wiesław Andrzej KamińskiUniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej

Mózg homo sapiens sapiens najbardziej złożony układ Wszechświata? 100 miliardów neuronów 1 000 000 miliardów synaps

MODEL KOMPARTMENTOWY

Wierny model neuronu (komórki Purkinjego) Erik de Schutter: 1998-2003Użyto:• modelu Hodgkina-Huxleya

•1600 kompartmentów•8021 modeli kanałów jonowych•10 typów różnych kanałów jonowych zależnych od napięcia•32000 równań różniczkowych•19200 dostrajanych parametrów •Opisu morfologii zrekonstruowanej

za pomocą mikroskopu

PROJEKT BLUE BRAIN

Politechnika Lozańska, Brain Institute

Henry Markram

Faza I: struktury mikrokolumnowe kory nowej szczura („in silico”)

Model zawiera: 10 000 morfologicznie złożonych neuronów i 30 000 000 dynamicznych synapsSymulacja kolumn z aktywnością zbliżoną do rzeczywistej („in vitro”)

•~1mm3•6 warstw•> 50 klas morfologicznych•~340 typów morfologiczno- elektrycznych•~200 typów kanałów jonowych•10 000 neuronów•18 typów synaps•30 000 000 synaps

neuron

kompartment

350/neuron

kanał jonowy

20/kompartment

synapsa

3000/neuron

faza I: kora nowa myszy

in silicoin vitro in silico

in vitro

BBP: faza I – „in silico” vs „in vitro”

Kora nowa szczura

8192 procesorów2TB współdzielonej pamięci22.4 TFlop (w piku)

• Dedykowane algorytmy tworzenia połączeń

międzyneuronalnych: typowo 8000 procesów. • Symulacje sieci neuronów: typowo 8192 procesów. • Algorytmy ewolucyjne dostrajające tysiące

modelowanych neuronów do danych „in vitro”: typowo 2048 procesów.

ZŁOŻONOŚĆ OBLICZENIOWA

                               Mira superkomputer (786 432 rdzeni, 8,26 pflops)projekt IBMsymulacja strukturalna mózgu homo sapiens

IBM Research w AlmadenLawrence Berkeley National Lab, pierwsza symulacja kory mózgu w czasie rzeczywistym1 miliard aktywnych neuronów10 miliardów pojedynczych uczących się synaps

20 000 X

1 000 X

Kolumna kory nowej szczura: 10 tysięcy (10^4) neuronów 30 milionów (10^7) synaps

Human Brain Project Henry Markram EC: 109 € Mózg szczura:200 milionów (10^8) neuronów 100 miliardów synaps

Mózg homo sapiens sapiens100 miliardów (10^11) neuronówok. miliona miliardów (10^15) synaps

4-skrzyniowy Blue Gen~10 tysięcy rdzeni~10^13 Flops (~10 TFlops)~10^12 B RAM (TBytes)

Peta-HPC~1 miliona rdzeni~10^15 Flops (1 PFlops) ~10^14 B RAM (~100TB)

Exa-HPC~10^18 Flops (EFlops) ~10^17B RAM (~100PB)

„ZROZUMIEĆ” MÓZG„apetyt” na moce obliczeniowe

pożądane 10^23

10^18 EFlops 1 s czasu biologicznego = pół dnia obliczeń symulowanie wybranych właściwości mózgu

10^21 ZFlops 1 s czasu biologicznego = kilka s obliczeń symulacja plastyczności całego mózgu

10^23 100 ZFlops 1 rok czasu biologicznego = 1 dzień obliczeń symulacja aktywności całego mózgu personalizacja modelu mózgu

Projekt SyNAPSE (DARPA)

SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics)

cel: stworzenie technologii elektronicznej neuromorfologii o skali elementarnej struktury biologicznej mózgu

nowy typ neurokomputera o funkcjach i architekturze mózgu zwierząt i ich inteligencji (szczura, kota, człowieka).

HRL Laboratories Hewlett-PackardIBM Research (Dharmendra Modha)

• element podstawowy (faza I, 2008-2011, 16 mln $):

elektroniczne synapsy (skala nanometrowa) dostosowujące siłę połączeń (plastyczność neuronalna)

• integracja w chipie (faza II, do końca 2014 r.):

podstawowy moduł (powtarzalny) architektura z 1 mln neuronów i 1-10 mld synaps/cm3

• układ wielomodułowy (faza III, 2013-2020, 200 mln $):

moduły o określonej funkcjonalności połączone w układ („mózg”) (skala makroskopowa)

100 mld neuronów 1-10 milionów mld synaps objętość: 2 litry

I jeszcze Brain Initiative (USA, 108$, 2014)I jeszcze …

„ZROZUMIEĆ” MÓZG

• nowe narzędzie do „przekraczania granic”: modele mózgu i symulacje

• możliwość eksperymentowania na poziomie genetyczno-informacyjnym

• sztuczna ewolucja inteligencji: • kolejne generacje mózgu mózg szczura, mózg homo sapiens …

Dziękuję za uwagę